高速匯流排提高電源設計難度

隨著許多高速處理器、大容量硬碟和磁碟陣列、顯示卡、乙太網(wǎng)路和光纖資料通信、以及存儲器陣列等設備的通信速度不斷加快，使用更快速的匯流排介面來符合其應用需求成為必要。

現(xiàn)代半導體技術能制造出比以前更快的邏輯電路，但僅靠提高邏輯電路速度并不足以加快匯流排速度。匯流排架構工程師必須處理匯流排電容、因為信號線長度不同所造成的信號歪斜現(xiàn)象、難以預測的匯流排負載變化、以及系統(tǒng)零組件的誤差。匯流排速度越快，電壓就必須越精確。而這些問題都與俗稱為I/O電源或VIO.的匯流排收發(fā)器電源供應習習相關，因此現(xiàn)代匯流排必須小心設計其電源才能有效發(fā)揮最大效能。

新舊PCI可相容

回溯相容性是PCI匯流排的最大優(yōu)勢。PCI特別工作小組已發(fā)展出一套方法讓PCI擴充槽能同時支援新型與舊規(guī)格的PCI電路板。早期的PCI電路板和PCI-X 1.0（又稱為mode-1）電路板都使用3.3V VIO，而PCI-X 2.0 266MHz和533MHz（又稱為mode-2）電路板使用的則是1.5V VIO電壓。誤用3.3V電源的mode-2電路板會發(fā)生故障；而誤用1.5V電源的舊規(guī)格或mode-1電路板，則可能會沒有足夠的電壓在匯流排產生邏輯 “1” 信號。

原始的PCI標準是以不同的接腳邊緣外形讓5V和3.3V電路板共存，但這種做法無法提供回溯相容性。PCI-X 2.0則是借用現(xiàn)代高效能微處理器技術，也就是透過邏輯電路來選擇電壓（logic-selectable voltage）來解決此問題。

PCI電路板連接座上有個稱為PCIXCAP的PCI-X相容性接腳，PCI系統(tǒng)會利用系統(tǒng)電路板上的模擬數(shù)字轉換器測量PCIXCAP的電壓值以決定PCI電路板速度。傳統(tǒng)PCI電路板會將PCIXCAP接地，使擴充槽控制器將匯流排速度限制在33MHz。PCI-X 66MHz電路板會在PCIXCAP接腳加上10kΩ下拉電阻，讓PCI-X以66MHz速度操作；PCI-X 133MHz電路板則會讓PCIXCAP處于浮動狀態(tài)，以啟動133MHz操作模式。

這種技術還能根據(jù)PCIXCAP共用接腳電壓來設定整個匯流排。比方說，只要有一張PCI電路板將PCIXCAP接地，整個匯流排就會使用33MHz；PCIXCAP接腳若處于浮動高電位，就表示所有PCI電路板皆為PCI-X 133MHz，使匯流排進入133MHz操作模式。若有部份電路板在PCIXCAP加上10kΩ下拉電阻，PCIXCAP接腳電壓就會低于浮動狀態(tài)的高電壓，但仍高于接地電壓，此時匯流排會在PCI-X 66MHz速率下操作。

PCI-X 2.0定義兩種新的下拉電阻值：PCI-X 266MHz的3.16kΩ以及PCI-X 533MHz的1.02kΩ，來進一步擴大此技術，使操作速度增加為五種。系統(tǒng)可以根據(jù)PCIXCAP模擬數(shù)字轉換器所提供的資訊來設定匯流排速度與VIO電壓。

工程師還需解決許多其他問題才能完成64位元266MHz擴充槽實作。橋接技術速度雖然已能讓一個橋接器支援6個32位元的66MHz PCI擴充槽，但目前仍只能處理2個64位元的133MHz PCI-X 1.0匯流排擴充槽；266MHz以上的PCI匯流排更要將橋接器直接連線至擴充槽，才能滿足兩者之間的超高資料速率要求。

PCI VIO規(guī)格

使用3.3V或5V I/O電源和較慢的資料速率時，就算電源供應電壓略有變動，PCI系統(tǒng)所輸出的低電位和高電位電壓仍能達到TTL規(guī)格要求。但如果VIO降到1.5V，資料速率又增加至266MHz以上，信號振幅范圍將大幅縮小，信號穩(wěn)定時間則相對變得更重要。

PCI規(guī)格對于不同的VIO電壓要求如下：

PCI-X mode 1要求擴充槽和橋接器的3.3V VIO電壓相差不能超過±100mV；這就表示橋接晶片的VIO電壓必須在擴充槽VIO電壓的100mV范圍內，以便忍受電流感測電阻、獨立的電源切換FET開關電晶體、和信號線的可能電壓降。但若VIO電壓為1.5V，擴充槽與橋接器的電壓就不能相差超過±15mV；此時唯有讓它們使用同一組電源，并以又短又粗的導線將其電源接點連接在一起，才能確保擴充槽與橋接器的電壓相差在要求范圍內。

針對VIO電壓的要求也帶來了許多新限制。舉例來說，橋接晶片必須能開啟和關閉VIO電壓，以及選擇電壓值在3.3V與1.5V之間。電源供應選擇開關在提供電源給擴充槽負載（最高1.5A）和橋接晶片負載時（最高1.5A以上，視橋接晶片而定），其電壓降不能超過±75mV。

VIO電源實作

有些系統(tǒng)會用它的1.5V電源層，提供VIO電壓給mode-2橋接器和PCI-X擴充槽。這些系統(tǒng)只要遵守下列簡單規(guī)則，就能使用切換電路來提供VIO電壓：

1. 以寬而短的線路將VIO電壓傳送給橋接器和擴充槽；

2. 略為提高1.5V電源層的電壓；

3. 使用導通阻抗極低的功率FET電晶體和電流感測元件；

4. 在「阻隔串接線路」(blocking series connection）上，利用兩顆FET開關電晶體將1.5V電源送到橋接器和擴充槽；如此一來，無論擴充槽電壓為0V或3.3V，只要FET處于截止狀態(tài)，就不會有電流從擴充槽通過FET的體二極管進入1.5V電源層。

除了采用上述的切換電路之外，也能以1.8V電源供應器來提供VIO電壓給mode-2擴充槽和橋接晶片，然后再利用低壓降線性穩(wěn)壓器將1.8V降壓至1.5V電壓。這種做法可使用成本較低的FET電晶體，而對于電路板繞線要求也比較寬。比方說，設計人員可以使用UC382-1之類的低壓降穩(wěn)壓元件，或圖1所示的TPS2342熱插拔電源控制器；此時功率FET將同時扮演電源選擇器、穩(wěn)壓器、和熱插拔電源開關等多種角色。

圖1：采用TPS2342 PCI-X 2.0熱插拔控制器的1.8V和3.3V VIO電壓選擇電路。它會在匯流排處于mode-2模式時，透過放大器驅動Q2和Q3，使+1.8V電壓降為1.5V。

擴充槽VIO接腳與元件15VIS接腳之間的連線極為重要；由于它同時擔任著電流感測和穩(wěn)壓感測等功能，所以在繞線時需特別注意。

若系統(tǒng)無法提供低電壓電源，也能利用可程式交換式穩(wěn)壓器來提供VIO電壓；例如使用可接受+12V輸入電源的PTH05000 VRM穩(wěn)壓模組提供3.3V或1.5V電壓，或是採用內建FET電晶體的TPS54310 SWIFT等交換式穩(wěn)壓元件。

熱插拔電源控制

PCI和PCI-X可廣泛用于各種平臺、筆記型電腦、桌上型電腦、伺服器和工業(yè)系統(tǒng)。筆記型電腦和桌上型電腦大都以PCI做為內部資料匯流排；外部裝置連線則采用USB、Firewire、PCMCIA、Cardbus或是Express Card。這些裝置都有自己的電源管理和裝置熱抽換（Hot Swap）協(xié)定。

PCI和PCI-X也能在系統(tǒng)不關機時移除連接裝置；這種熱插拔（hot plug）功能是伺服器等高可用性（high-availability）系統(tǒng)，在不中斷作業(yè)條件下進行維修服務的關鍵。設計人員必須利用系統(tǒng)驅動程式和硬件才能提供完整的PCI熱插拔功能。

PCI熱插拔擴充槽的插座與傳統(tǒng)PCI擴充槽完全相同；它上面也有電路板內鎖開關、電路板服務要求按鈕、以及標準的電路板狀態(tài)指示燈。電路板的管理與控制是由標準熱插拔控制器（Standard Hot Plug Controller，SHPC）負責；它會監(jiān)測擴充槽開關、命令擴充槽啟動或關閉電源、啟動或關閉匯流排開關、將資料繞過已關閉電源的擴充槽、以及管理擴充槽指示燈的燈號狀態(tài)。另一顆稱為熱插拔電源控制器（Hot Plug Power Controller，HPPC）的功率模擬元件則會負責切換擴充槽電源。

HPPC可提供不同的電源和模擬功能；例如擴充槽開關的電壓跳動消除（debouncing）和緩沖、電路板種類判斷、選擇適當?shù)臄U充槽VIO電壓、切換擴充槽的+12V、+5V、+3.3V、Vaux和-12V電源、驅動擴充槽匯流排開關、以及驅動擴充槽指示燈。HPPC還可為每個匯流排電源提供限流功能，以防止故障電路板造成背板電源過載或電壓下降。

TPS2363熱插拔電源控制器可為PCI Express提供熱插拔功能。這顆元件可以切換兩個擴充槽的Vaux、+3.3V和+12V主電源、監(jiān)測兩個擴充槽的內鎖和服務要求開關；它還能在任何電源發(fā)生過載時，立即切斷擴充槽連線以保護電源不受損害。

面對實際問題

現(xiàn)代邏輯元件已能承受來自電源的大電流突波，開關速度更達到500ps以內。實際限流電路必須在必要時提供瞬間大電流，擴充槽電流達到危險水準一段時間后，也要能迅速切斷擴充槽電源；否則激增的擴充槽電流可能導致背板電壓下降，進而影響背板其它裝置的正常作業(yè)。

電流感測零件和導線的布局也很重要。圖2是電流感測電阻與HPPM之間的較佳連接方式。

圖2：以Kelvin連線方式將電流感測電阻連接至電流感測電路，以避免大電流通過電路板線路時產生過多電壓降。圖中顯示兩種取代Kelvin連線的較佳方式。電路板的電流感測線路必須是間距極小的等長平行路徑，以避免鄰近大電流線路而產生磁耦合。為防止出現(xiàn)假的電流故障，設計人員應選擇串聯(lián)電感很小的電流感測電阻；這表示應避免使用含有鈷、鎳或鐵的電阻。元件的3VS和3VIS接腳之間應連接一顆陶瓷電容，它能在假的電流故障出現(xiàn)時協(xié)助消除噪音。

針對高密度的電路板零件布局，工程師應選擇能直接放在PCI插座之間的高密度單列式功率封裝（inline power package）。舉例來說，TPS2343就采用80只接腳的TVSOP封裝，其接腳末端寬度不到8.5釐米。

未來展望

串列匯流排已開始出現(xiàn)在現(xiàn)代電子系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)并列匯流排分庭抗禮；這兩種匯流排在短期內仍須攜手共存。串列匯流排沒有資料路徑歪斜的問題，故能采用更彈性的繞線和連接座設計。接腳數(shù)目的減少使串列匯流排體積更為精巧；然而電源路徑安排以及電源安全保護對于串列匯流排仍然極為重要。

半導體技術雖可將更多功能整合至更低成本元件，連接座和其它機械零件卻日益昂貴。現(xiàn)在正是串列匯流排取代并列匯流排的轉折點。雖然PCI Express成本已降至PCI-X的水準，未來還會更低；但是PCI、PCI-X 1.0和PCI-X 2.0仍擁有低成本、回溯相容性、和易于實作等優(yōu)勢，這也意味著它們仍將在市場上風光一段時間。